Анализ важнейших характеристик МДП-и биполярных транзисторов

Соотношения, позволяющие оценить предельные значения этих характеристик, приведены в табл.У.5.1. В формулах учтены только принципиально неустранимые факторы, ограничивающие предельно достижимые значения характеристик. Так, например, в соотношениях для предельной частоты полагаются нулевыми барьерные емкости p-п переходов.

¹ Обозначения для МД ПТ: Z— ширина канала; C_{s (;} и р ^ — удельная емкость и удельное сопротивление диэлектрика; v_m — максимальная скорость носителей заряда; a = yjd_e/l; d, d_ej — истинная и эффективная толщина диэлектрика; /— ширина ОПЗ под каналом, а для БТ: 1_С — ширина коллекторного перехода, 1 < т < 2.

Рассмотрим подробнее свойства характеристик, приведенных в табл. V.5.1, для обоих типов транзисторов.

1. Крутизна ВАХ В МДПТ крутизна ВАХ пропорциональна ширине канала, в то время как в БТ она не зависит от площади эмиттера и пропорциональна току эмиттера. Эти различия обусловлены принципиально разными способами воздействия управляющего напряжения на области переноса заряда — канал в МДПТ и базу в БТ (см. табл. V.1.2).

В МДПТ управляющий электрод (затвор) имеет емкостную связь с каналом и воздействует на проводимость канала (поверхностную плотность носителей заряда) в направлении, перпендикулярном току в цепи сток—исток по всей длине канала (п. 3,5—7 табл. V.1.2). В результате поверхностная плотность заряда в канале линейно зависит от напряжения затвор—канал (см. параграф III.3.2). При этом в идеализированной модели проходная ВАХ квадратична (и. 7 табл. V.2.1), а ограничение дрейфовой скорости носителей в канале вырождает ее в линейную (и. 2. табл. V.3.1). Таким образом, максимально достижимая крутизна пропорциональна ширине канала Z и не зависит от тока (п. 1 табл. V.5.1).

В БТ управляющий электрод (база) гальванически связан с базой. Он воздействует на высоту потенциального барьера между источником носителей заряда (эмиттером) и областью переноса (базой) в направлении, параллельном току в цепи коллектор—эмиттер (п. 3, 5, 6 табл. V.2.1). Воздействие изменяет концентрацию неосновных носителей на границе с эмиттерным переходом (и. 7 табл. V.2.1) пропорционально ехр (1^,/шр_г), где т-1 для низкого уровня инжекции в базе, т-2 для высокого. Чрезвычайно сильное (экспоненциальное) изменение свойств области переноса под действием входного сигнала обусловлено тем, что в БТ ток через область переноса (базу) создают неосновные носители, хотя основные присутствуют в базе в большем количестве (биполярный транзистор). В МДПТ ток через канал создается основными носителями, число которых неизмеримо больше, чем неосновных {униполярный транзистор, и. 2 табл. V.2.1), и не может изменяться столь значительно.

В результате проходная ВАХ БТ имеет экспоненциальный характер (п. 7 табл. V.2.1). Разумеется, при заданном напряжении V_be крутизна пропорциональна пощади эмиттера, но при заданном значении эмиттерного тока 1_Е крутизна пропорционалъна I_E (п. 1 табл. V.5.1) и не зависит от площади эмиттера.

Из формул п. 1 табл. V.5.1 следует, что для МД ПТ и БТ достижимые значения крутизны одинаковы при условии.

Практически МДПТ работают при напряжении V^_t — И,_ч — V_r > 1 В. Это означает, что при равной крутизне ток стока МДПТ в 20—40 раз превышает ток эмиттера БТ.

Интересно отметить, что энергетические диаграммы МДПТ и БТ в продольном сечении весьма схожи (рис. V.5.1). Их сходство особенно показательно, когда МДПТ работает в подпороговом режиме (см. параграф II 1.4.2). В этом случае исчезают некоторые различия в принципе действия МДПТ и БТ, отраженные в табл. V.1.2. В частности, в МДПТ основным механизмом переноса носителей через канал является диффузия (а не дрейф, п. 4 табл. V. 1.2). Входное воздействие (V),.

Рис. V.5.1. Энергетические диаграммы биполярного транзистора в нормальном режиме (а) и МДП транзистора в нодпороговом режиме (б).

как и в БТ, сводится к изменению высоты барьера е (ф ₉ — ср_л) между истоком и каналом (рис. Ш. 4.2, V.9.1; п. 5 табл. V.1.2), а зоной воздействия, как и в БТ, является граница канала со стоком (п. 6 табл. V.1.2). В результате проходная ВАХ МД ПТ в подпороговом режиме имеет, как и в БТ, экспоненциальный характер (п. 7 табл. V.2.1) — соотношение (III.4.18).

2. Коэффициент усиления Как отмечено выше, МД ПТ целесообразно характеризовать коэффициентом усиления напряжения К_уу аБТ —коэффициентом усиления тока Kj.

В короткокаиальных КМДП физической причиной снижения коэффициента усиления К_у при уменьшении длины канала является модуляция эффективной длины канала напряжением сток—исток (см. параграф III.5.7), связанная с ограничением дрейфовой скорости носителей.

Отметим, что коэффициент усиления определяется отношением длины канала L к параметру а = yjd_efl, где d_ef — эффективная толщина диэлектрика; / — ширина ОПЗ (п. 2 табл. V.5.1). Для обеспечения приемлемого значения К_у > 5 отношение L / а должно быть на менее 2,3. Таким образом, при достижимых значениях d_ef ~ I ~ 0,05 мкм длина канала не должна превышать ~ 0,115 мкм.

В БТ значение К, ~ (3, рассчитанное по формулам раздела IV.3, обычно составляет более 50 и снижается при слишком малой либо слишком большой плотности эмиттерного тока (см. параграф IV.5.3). Тем не менее для конкретных применений площадь эмиттерного перехода можно выбрать таким образом, что в диапазоне рабочих токов значение (3 остается большим 20.

Следует отметить, что в МДПТ ограничение скорости носителей приводит к ограничению тока насыщения при заданном входном напряжении V . В БТ этот эффект отсутствует (п. 2 табл. V.3.1). Физическая причина такого различия состоит в том, что в МДПТ управляющее напряжение K_s воздействует на всю длину области переноса (канат); в БТ управляющее напряжение V* изменяет концентрацию носителей в области переноса (базы) лишь на границе с эмиттерным переходом (п. 7 табл. V.2.1).

3. Напряжение насыщения выходных ВАХ В короткоканальных МДПТ напряжение насыщения выходных ВАХ V_dsS определяется напряженностью электрического поля E_Sf соответствующей насыщению дрейфовой скорости носителей заряда в канале (п. 3 табл. V.5.1). Для я-канального МДПТ E_s —2*10¹ В/см, для р-канального E_s ~ 4 * 10¹ В/см (см. раздел 1.4). Таким образом, для принятых выше значений d_eJ ~ I ~ 0,05 мкм при K_v >5 (L / а > 2,3) получаем.

В ВТ напряжение V_ceS зависит только от инверсного коэффициента передачи тока базы |i₇ (п. 3 табл. IV.5.1). Для планарных п-р-п транзисторов со скрытым п⁺-слоем в коллекторе типичные значения составляют р₇ =0,5 — 1 (см. параграф IV.3.4), и V_ceS = 60 — 100 мВ.

В симметричных (р₇ ~p_v) латеральныхр-п-р транзисторах напряжение насыщения очень мало: при р₇ > 8 его значение не превышает 10 мВ.

4. Входное сопротивление В МДПТ входной электрод (затвор) отделен от канала диэлектриком. Поэтому их входное сопротивление весьма велико (обычно R_in >10 ГОм) и они могут считаться идеальными приемниками напряжения (R_jn —и входное напряжение V не зависит от выходного сопротивления источника сигнала).

Входное сопротивление БТ в схеме включения ОЭ может быть найдено из эквивалентной схемы на рис. IV.7.8. При R/i~> о

При 1_Е =0,1 мА значение R_in лежит в диапазоне (1—2) кОм. В схеме включения ОБ величина входного сопротивления в 1 + р раз меньше, однако БТ все же не могут считаться идеальными приемниками тока.

5. Предельная частота Как в МДП, так и в биполярных транзисторах предельно достижимое значение предельной частоты ограничивается максимальной скоростью носителей заряда v_m ~ 10⁷ см/с (см. параграф III.5.9, IV.5.6) и достигается предельно возможным уменьшением длины области переноса заряда (п. 5 табл. V.5.1). В МДПТ возможность уменьшения длины канала ограничивается снижением коэффициента усиления напряжения K_v. В БТ уменьшение длины базы ведет к снижению напряжения прокола и повышению сопротивления активной базы (которое в этом разделе не учитывается). По-видимому, для обоих типов кремниевых транзисторов минимальная длина области переноса (длина канала L для МД ПТ, длина базы w_B для БТ) составляет менее 0,1 мкм. При этом предельно достижимое значение предельной частоты МДПТ составляет /_Гтах =(0_Гтах/2тс*>150 ГГц. В БТ носители заряда должны также преодолеть 0113 коллекторного перехода, ширина которой 1₍ может быть уменьшена примерно до длины базы.

Таким образом, теоретически достижимое значение предельной частоты в БТ примерно вдвое меньше, чем в МДПТ. В реальных транзисторах предельная частота ограничена также паразитными емкостями ОПЗ и емкостями перекрытия затвора с контактными областями стока и истока (в МДПТ, см. рис. III.6.1), а также сопротивлениями электронейтральных областей. В настоящее время максимальные значения предельной частоты для обоих типов транзисторов примерно одинаковы.

6. Постоянная времени накопления заряда в приемнике тока В параграфе IV.4.7 показано, что в коллекторе планарных БТ в режиме насыщения накапливается заряд избыточных дырок. Его величина пропорциональна времени жизни в слаболегированном коллекторе х_с и может быть весьма значительна (п. 6 табл. V.5.1). Эффект накопления заряда в коллекторе значительно затягивает переходный процесс выключения транзистора, что резко снижает быстродействие логических вентилей. Для нейтрализации этого эффекта в быстродействующих цифровых устройствах применяются специальные меры, предотвращающие попадание транзистора в режим насыщения (см. параграф VI.4).

Помимо принципиальных различий в устройстве и принципе действия МДПТ и БТ, их возможности определяются технологическими факторами. Как очевидно из рис. III.8.1 —.

III.8.3, IV.8.1—IV.8.5, структура МДПТ существенно более проста, чем структура БТ. Поэтому изготовление И С на основе МДПтранзисторов обходится дешевле. Чрезвычайную важность представляет возможность изготовления по МДП технологии высококачественных комплементарных транзисторных пар. В биполярной технологии такие возможности ограничены.

Результаты проведенного анализа сведены в табл. V.5.2.

Таблица V.5.2

Сравнительные характеристики МДПи биполярной технологии.